Um computador digital é projetado para processar dados em forma numérica (ver circuito digital); seus circuitos realizam diretamente as operações matemáticas de adição, subtração, multiplicação e divisão. Os números operados por um computador digital são expressos no sistema binário; os dígitos binários, ou bits, são 0 e 1, de modo que 0, 1, 10, 11, 100, 101, etc., correspondem a 0, 1, 2, 3, 4, 5, etc. Os dígitos binários são facilmente expressos no circuito do computador pela presença (1) ou ausência (0) de uma corrente ou tensão. Uma série de oito bits consecutivos é chamada de byte; o byte de oito bits permite 256 combinações diferentes de ligar e desligar. Cada byte pode assim representar um de até 256 caracteres alfanuméricos, e tal disposição é chamada de conjunto de caracteres de byte único (SBCS); o padrão de facto para esta representação é o conjunto de caracteres ASCII estendido. Alguns idiomas, como o japonês, chinês e coreano, requerem mais de 256 símbolos únicos. O uso de dois bytes, ou 16 bits, para cada símbolo, no entanto, permite a representação de até 65.536 caracteres ou ideógrafos. Tal arranjo é chamado de conjunto de caracteres de byte duplo (DBCS); Unicode é o padrão internacional para tal conjunto de caracteres. Um ou mais bytes, dependendo da arquitetura do computador, é às vezes chamado de palavra digital; ele pode especificar não só a magnitude do número em questão, mas também seu sinal (positivo ou negativo), e também pode conter bits redundantes que permitem a detecção automática, e em alguns casos a correção, de certos erros (ver código; teoria da informação). Um computador digital pode armazenar os resultados de seus cálculos para uso posterior, pode comparar resultados com outros dados e, com base nessas comparações, pode alterar a série de operações que realiza. Os computadores digitais são agora usados para uma ampla gama de fins pessoais, comerciais, científicos e governamentais, desde jogos eletrônicos, e-mail, redes sociais e aplicações de processamento de dados e palavras até editoração eletrônica, videoconferência, previsão do tempo, testes simulados de armas nucleares, criptografia e muitos outros fins.
As operações de um computador digital são realizadas por circuitos lógicos, que são circuitos digitais cuja única saída é determinada pelas condições das entradas, geralmente duas ou mais. Os vários circuitos que processam os dados no interior do computador devem operar de forma altamente sincronizada; isto é feito controlando-os com um oscilador muito estável, que atua como o relógio do computador. As taxas de relógio típicas dos computadores pessoais agora variam de várias centenas de milhões de ciclos por segundo a vários bilhões. Operando nessas velocidades, os circuitos digitais de computador são capazes de realizar centenas de bilhões de operações aritméticas ou lógicas por segundo, mas os supercomputadores são capazes de realizar mais de 1 milhão de vezes mais rápido; tais velocidades permitem a rápida solução de problemas que seriam impossíveis de serem resolvidos manualmente por um humano. Além do circuito aritmético e lógico e de uma série de registros (locais de armazenamento que podem ser acessados mais rapidamente do que o armazenamento principal, ou memória, e são usados para manter os resultados intermediários dos cálculos), o coração do computador?chamado de unidade central de processamento, ou CPU?contém o circuito que descodifica o conjunto de instruções, ou programa, e faz com que seja executado.
Associado à CPU está o armazenamento principal, ou memória, onde os resultados ou outros dados são armazenados por períodos de tempo que vão desde uma pequena fracção de segundo até dias ou semanas antes de serem recuperados para processamento posterior. Uma vez constituído por tubos de vácuo e mais tarde por pequenos núcleos ferromagnéticos em forma de donut enfiados numa matriz de fios, o armazenamento principal consiste agora em circuitos integrados, cada um dos quais pode conter bilhões de dispositivos semicondutores. Onde cada tubo ou núcleo de vácuo representava um bit e a memória total do computador era medida em milhares de bytes (ou kilobytes, KB), os chips de memória dos computadores modernos representam centenas de milhões de bytes (ou megabytes, MB) e a memória total dos computadores pessoais e mainframe é medida em bilhões de bytes (gigabytes, GB) ou mais. A memória somente de leitura (ROM), que não pode ser gravada, mantém seu conteúdo o tempo todo e é usada para armazenar as informações de controle do computador. A memória de acesso aleatório (RAM), que tanto pode ser lida como escrita, é perdida cada vez que o computador é desligado. Os computadores modernos agora incluem memória cache, que a CPU pode acessar mais rápido que a RAM, mas mais lento que os registros; os dados na memória cache também são perdidos quando o computador é desligado.
Programas e dados que não estão sendo usados no armazenamento principal podem ser salvos no armazenamento auxiliar ou secundário. Embora a fita de papel perfurado e os cartões perfurados já tenham servido este propósito, os principais materiais utilizados hoje em dia são a fita magnética e os discos e dispositivos de memória flash, todos os quais podem ser lidos e escritos, e dois tipos de discos ópticos, o disco compacto (CD) e o seu sucessor, o disco versátil digital (DVD). Quando comparados à RAM, estes são menos caros (embora a memória flash seja mais cara que os outros dois), não são voláteis (ou seja, os dados não se perdem quando a alimentação do computador é desligada) e podem proporcionar uma forma conveniente de transferir dados de um computador para outro. Assim, o manual de instruções ou a saída de dados de um computador pode ser armazenada e ser utilizada posteriormente pelo mesmo computador ou por outro.
Num sistema que utiliza fita magnética, a informação é armazenada por um gravador de fita especialmente concebido para o efeito, algo semelhante ao utilizado para a gravação de som. A fita magnética é agora largamente utilizada para armazenamento externo de grandes volumes de dados ou backups de grandes sistemas. Em sistemas de discos magnéticos e ópticos o princípio é o mesmo; o meio magnético ou óptico encontra-se num caminho, ou pista, na superfície de um disco. A unidade de disco também contém um motor para girar o disco e uma cabeça ou cabeças magnéticas ou ópticas para ler e gravar os dados no disco. As unidades assumem várias formas, sendo a diferença mais significativa se o disco pode ser removido do conjunto da unidade. Dispositivos de memória flash, tais como unidades flash USB, cartões de memória flash e unidades de estado sólido, usam memória não volátil que pode ser apagada e reprogramada em blocos.
Discos magnéticos removíveis feitos de mylar fechados em um suporte de plástico (versões antigas tinham suportes de papel) estão agora largamente desatualizados. Estas disquetes têm capacidades variadas, com discos de densidade muito alta com 250 MB?mais que suficiente para conter uma dúzia de livros do tamanho da Anna Karenina de Tolstoy. Os discos rígidos magnéticos internos e externos, ou discos rígidos, são feitos de metal e dispostos em camadas espaçadas. Eles podem conter muito mais dados do que disquetes ou discos ópticos, e podem ler e escrever dados muito mais rapidamente do que disquetes. À medida que os discos rígidos caíam no preço, eles se tornaram cada vez mais incluídos como um componente de computadores pessoais e substituíram os disquetes como mídia padrão para o armazenamento de sistemas operacionais, programas e dados.
Discos compactos podem conter centenas de megabytes, e têm sido usados, por exemplo, para armazenar as informações contidas em toda uma enciclopédia multivolume ou conjunto de trabalhos de referência. DVD é uma tecnologia aperfeiçoada de armazenamento óptico capaz de armazenar até dez vezes os dados que a tecnologia de CD pode armazenar. Os discos CD?Read-Only Memory (CD-ROM) e DVD?Read-Only Memory (DVD-ROM) só podem ser lidos?os discos ficam impressionados com os dados na fábrica mas uma vez escritos não podem ser apagados e reescritos com novos dados. Na segunda metade dos anos 90, foram introduzidas novas tecnologias de armazenamento óptico: CD-R regravável (CD-R) e DVD-Regravável (DVD-R, DVD+R), discos ópticos que podem ser gravados pelo computador para criar um CD-ROM ou DVD-ROM, mas só podem ser gravados uma vez; e CD-ReWritable (CD-RW), DVD-ReWritable (DVD-RW e DVD+RW), e DVD?Random Access Memory (DVD-RAM), discos que podem ser gravados várias vezes.
Flash memory devices, um desenvolvimento ainda mais recente, são uma diminuição da memória programável apagável eletricamente apenas para leitura. Embora mais cara que as tecnologias de armazenamento magnético e óptico, a memória flash pode ser lida e escrita muito mais rapidamente, permitindo tempos de inicialização mais curtos e acesso e armazenamento de dados mais rápidos. Como a memória flash também é resistente a choques mecânicos e se tornou cada vez mais compacta, uma unidade flash USB permite o armazenamento externo fácil e portátil de grandes quantidades de dados. As unidades de estado sólido são mais facilmente acessíveis e gravadas do que os discos rígidos magnéticos e utilizam menos energia, tendo-se tornado comuns em computadores portáteis de gama alta e leve e em computadores de alto desempenho. A memória flash também é utilizada em computadores tablets e smartphones. As unidades híbridas, que combinam uma menor quantidade de memória flash com um grande disco rígido magnético, permitem o armazenamento económico de grandes quantidades de dados, beneficiando ao mesmo tempo de um acesso mais reactivo aos ficheiros de sistemas operativos e programas frequentemente utilizados, mas apenas ocasionalmente alterados.
Os dados são introduzidos no computador e os dados processados são disponibilizados através de dispositivos de entrada/saída, também chamados periféricos. Todos os dispositivos auxiliares de armazenamento são utilizados como dispositivos de entrada/saída. Durante muitos anos, o meio de entrada/saída mais popular foi a placa perfurada. Os dispositivos de entrada mais populares são o terminal do computador e os discos rígidos magnéticos internos, e os dispositivos de saída mais populares são a tela de exibição do computador associada a um terminal (normalmente exibindo a saída que foi processada por uma unidade de processamento gráfico) e a impressora. Os seres humanos podem comunicar directamente com o computador através de terminais de computador, introduzindo instruções e dados através de teclados muito semelhantes aos das máquinas de escrever, utilizando um dispositivo apontador como um rato, trackball ou touchpad, ou falando para um microfone que está ligado a um computador que executa software de reconhecimento de voz. O resultado da entrada pode ser exibido em um cristal líquido, em um diodo emissor de luz ou em uma tela de tubo de raios catódicos ou na saída da impressora. Outro importante dispositivo de entrada/saída em computadores modernos é a placa de rede, que permite ao computador conectar-se a uma rede de computadores e à Internet usando uma conexão com fio ou rádio (sem fio). A CPU, o armazenamento principal, o armazenamento auxiliar e os dispositivos de entrada/saída formam coletivamente um sistema cumputador.
Geralmente, as operações mais lentas que um computador deve realizar são as de transferência de dados, particularmente quando os dados são recebidos de ou entregues a um ser humano. O processador central do computador está ocioso durante grande parte deste período, e assim duas técnicas similares são usadas para usar sua energia mais completamente.
Partilha de tempo, usada em computadores grandes, permite que vários usuários em diferentes terminais possam usar um único computador ao mesmo tempo. O computador executa parte de uma tarefa para um usuário, depois suspende essa tarefa para fazer parte de outra para outro usuário, e assim por diante. Cada usuário só tem o uso do computador por uma fração do tempo, mas a troca de tarefa é tão rápida que a maioria dos usuários não está ciente disso. A maioria das dezenas de milhões de computadores no mundo são dispositivos autônomos, de usuário único, conhecidos de várias maneiras como computadores pessoais ou estações de trabalho. Para eles, o multitarefa envolve o mesmo tipo de troca, mas para um único usuário. Isso permite que um usuário, por exemplo, tenha um arquivo impresso e outro carregado em um site da Internet enquanto edita um terceiro em uma sessão de processamento de texto e escuta de uma gravação transmitida pela Internet. Os computadores pessoais também podem ser ligados em rede, onde cada computador está conectado a outros, geralmente por rede, cabo coaxial ou fibra óptica ou por sinais de rádio (sem fio), permitindo a todos compartilhar recursos, como impressoras, dispositivos de armazenamento de disco rígido e uma conexão à Internet. A computação em nuvem é outra forma de compartilhamento de recursos. Fornecendo acesso a hardware e software através de uma rede, na maioria das vezes a Internet, a computação em nuvem é projetada para permitir que muitos indivíduos e organizações utilizem uma ampla gama de dispositivos, tanto a facilidade de acesso aos recursos de computação como a flexibilidade para alterar o tipo e o volume dos recursos aos quais têm acesso.
Antes de um computador poder ser utilizado para um determinado fim, ele deve primeiro ser programado, ou seja, preparado para uso carregando um conjunto de instruções, ou programa. Os diferentes programas pelos quais um computador controla aspectos do seu funcionamento, tais como os de tradução de dados de uma forma para outra, são conhecidos como software, em contraste com o hardware, que é o equipamento físico que compõe a instalação. Na maioria dos computadores o controle momentâneo da máquina reside em um programa especial de software chamado sistema operacional, ou supervisor. Outras formas de software incluem assemblers e compiladores para linguagens de programação e aplicações para uso comercial e doméstico (ver programa de computador). O software é de grande importância; a utilidade de um conjunto altamente sofisticado de hardware pode ser limitada pela falta de software adequado.
Cada instrução no programa pode ser um simples e único passo, dizendo ao computador para executar alguma operação aritmética, para ler os dados de algum determinado local na memória, para comparar dois números, ou para tomar alguma outra ação. O programa é introduzido na memória do computador exactamente como se fossem dados, e na activação, a máquina é direccionada para tratar este material na memória como instruções. Outros dados podem então ser lidos e o computador pode executar o programa para completar a tarefa específica.
Desde que os computadores são projetados para operar com números binários, todos os dados e instruções devem ser representados nesta forma; a linguagem da máquina, na qual o computador opera internamente, consiste nos vários códigos binários que definem as instruções juntamente com os formatos em que as instruções são escritas. Como é demorado e tedioso para um programador trabalhar em linguagem de máquina real, uma linguagem de programação, ou linguagem de alto nível, projetada para a conveniência do programador, é utilizada para a escrita da maioria dos programas. O computador é programado para traduzir esta linguagem de alto nível em linguagem de máquina e depois resolver o problema original para o qual o programa foi escrito. Muitas linguagens de programação de alto nível são agora universais, variando pouco de máquina para máquina.
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